Irreversibilidad de los procesos físicos. Procesos reversibles e irreversibles.

La segunda ley de la termodinámica afirma el hecho de la irreversibilidad de los procesos en la naturaleza, pero no da ninguna explicación al respecto. Esta explicación sólo puede obtenerse sobre la base de la teoría cinética molecular y no es nada sencilla.

La contradicción entre la reversibilidad de los microprocesos y la irreversibilidad de los macroprocesos

La irreversibilidad de los macroprocesos parece paradójica, porque todos los microprocesos son reversibles en el tiempo. Las ecuaciones de movimiento de micropartículas individuales, tanto clásicas como cuánticas, son reversibles en el tiempo porque no contienen fuerzas de fricción que dependan de la velocidad. La fricción es el efecto macroscópico de la interacción de un cuerpo grande con una gran cantidad de moléculas. ambiente, y la aparición de esta fuerza en sí requiere explicación. Las fuerzas a través de las cuales interactúan las micropartículas (principalmente fuerzas electromagnéticas) son reversibles en el tiempo. Las ecuaciones de Maxwell que describen interacciones electromagnéticas no cambian cuando se reemplazan t en - t.

Si tomamos el modelo más simple de gas: un conjunto de bolas elásticas, entonces el gas en su conjunto exhibirá un cierto comportamiento direccional. Por ejemplo, al comprimirse por la mitad de un vaso, comenzará a expandirse y ocupar todo el vaso. No volverá a encogerse. Las ecuaciones de movimiento de cada molécula-bola son reversibles en el tiempo, ya que contienen sólo fuerzas que dependen de distancias y aparecen cuando las moléculas chocan.

Por tanto, la tarea no es sólo explicar el origen de la irreversibilidad, sino también conciliar el hecho de la reversibilidad de los microprocesos con el hecho de la irreversibilidad de los macroprocesos.

El mérito de haber encontrado un enfoque fundamentalmente correcto para resolver este problema es de Boltzmann. Es cierto que algunos aspectos del problema de la irreversibilidad aún no han recibido una solución integral.

Ejemplo cotidiano de irreversibilidad

Pongamos un ejemplo sencillo y cotidiano que, a pesar de su trivialidad, está directamente relacionado con la solución de Boltzmann al problema de la irreversibilidad.

Digamos que el lunes decides empezar una nueva vida. Una condición indispensable para ello suele ser un orden ideal o casi ideal en el escritorio. Colocas todos los objetos y libros en lugares estrictamente definidos, y en tu mesa hay un estado que con razón puede llamarse estado de "orden".

Lo que sucederá con el tiempo es bien conocido. Te olvidas de poner objetos y libros en lugares estrictamente definidos y sobre la mesa reina un estado de caos. No es difícil entender por qué sucede esto. El estado de “orden” corresponde sólo a una determinada disposición de objetos, y el estado de “caos” corresponde a un número incomparablemente mayor. Y tan pronto como los objetos comienzan a ocupar posiciones arbitrarias no controladas por su voluntad, surge naturalmente sobre la mesa un estado de caos más probable, realizado por un número mucho mayor de distribuciones de objetos sobre la mesa.

En principio, estas son precisamente las consideraciones que Boltzmann planteó para explicar la irreversibilidad de los macroprocesos.

Estados microscópicos y macroscópicos.

En primer lugar es necesario distinguir entre el estado macroscópico del sistema y su estado microscópico.

El estado macroscópico se caracteriza por un pequeño número de parámetros termodinámicos (presión, volumen, temperatura, etc.), así como por cantidades mecánicas como la posición del centro de masa, la velocidad del centro de masa, etc. las cantidades macroscópicas que caracterizan al Estado en su conjunto son de importancia práctica.

El estado microscópico se caracteriza en el caso general por especificar las coordenadas y velocidades (o momentos) de todas las partículas que componen el sistema (cuerpo macroscópico). Se trata de una característica incomparablemente más detallada del sistema, cuyo conocimiento no es necesario en absoluto para describir procesos con cuerpos macroscópicos. Además, el conocimiento del microestado es prácticamente inalcanzable debido a la gran cantidad de partículas que componen los macrocuerpos.

En el ejemplo cotidiano anterior con objetos sobre la mesa, podemos introducir los conceptos de microestados y macroestados. El microestado corresponde a una disposición específica de objetos, y el macroestado corresponde a una evaluación de la situación en su conjunto: ya sea “orden” o “caos”.

Es bastante obvio que un determinado macroestado puede realizarse mediante una gran cantidad de microestados diferentes. Entonces, por ejemplo, la transición de una molécula de un punto dado en el espacio a otro punto o un cambio en su velocidad como resultado de una colisión cambia el microestado del sistema, pero, por supuesto, no cambia los parámetros termodinámicos y , por tanto, el macroestado del sistema.

Ahora introduzcamos una hipótesis que no es tan obvia como las afirmaciones anteriores: todos los estados microscópicos de un sistema cerrado son igualmente probables; ninguno de ellos se destaca ni ocupa una posición predominante. Esta suposición es en realidad equivalente a la hipótesis sobre la naturaleza caótica del movimiento térmico de las moléculas.

La ley de conservación de la energía establece que la cantidad de energía durante cualquier transformación permanece sin cambios. Pero no dice nada sobre qué transformaciones energéticas son posibles. Mientras tanto, muchos procesos que son completamente aceptables desde el punto de vista de la ley de conservación de la energía nunca ocurren en la realidad.

Los cuerpos calentados se enfrían por sí solos, transfiriendo su energía a los cuerpos circundantes más fríos. El proceso inverso de transferencia de calor de un cuerpo frío a uno caliente no contradice la ley de conservación de la energía, pero en realidad no ocurre.

Otro ejemplo. Las oscilaciones del péndulo, alejado de la posición de equilibrio, decaen (Fig. 5.11; 1, 2, 3, 4 - posiciones sucesivas del péndulo con desviaciones máximas de la posición de equilibrio). Debido al trabajo de las fuerzas de fricción, la energía mecánica disminuye y la temperatura del péndulo y del aire circundante aumenta ligeramente. El proceso inverso también es energéticamente permisible, cuando la amplitud de las oscilaciones del péndulo aumenta debido al enfriamiento del propio péndulo y del entorno. Pero tal proceso nunca se ha observado. La energía mecánica se transforma espontáneamente en energía interna, pero no al revés. En este caso, el movimiento ordenado del cuerpo en su conjunto se convierte en un movimiento térmico desordenado de las moléculas que lo componen.

El número de ejemplos de este tipo puede aumentarse casi ilimitadamente. Todos dicen que los procesos en la naturaleza tienen una dirección determinada, que no se refleja de ninguna manera en la primera ley de la termodinámica. Todos los procesos en la naturaleza proceden sólo en una dirección específica. No pueden fluir espontáneamente en la dirección opuesta. Todos los procesos en la naturaleza son irreversibles y los más trágicos de ellos son el envejecimiento y la muerte de los organismos.

Aclaremos el concepto de proceso irreversible. Un proceso irreversible puede denominarse proceso cuyo reverso sólo puede ocurrir como uno de los eslabones de un proceso más complejo.. Entonces, en el ejemplo del péndulo, puedes volver a aumentar la amplitud de las oscilaciones del péndulo empujándolo con la mano. Pero este aumento de amplitud no se produce por sí solo, sino que se hace posible como resultado de un proceso más complejo, que incluye un empujón con la mano. En principio, es posible transferir calor de un cuerpo frío a uno caliente, pero para ello se necesita una unidad de refrigeración que consuma energía, etc.

Matemáticamente, la irreversibilidad de los procesos mecánicos se expresa en el hecho de que las ecuaciones de movimiento de los cuerpos macroscópicos cambian con un cambio de signo del tiempo. Se dice que no son invariantes bajo la transformación t -> -t. La aceleración no cambia de signo cuando t -> -t. Las fuerzas que dependen de las distancias tampoco cambian de signo. Al reemplazar t por -t, el signo de la velocidad cambia. Por eso, cuando el trabajo lo realizan fuerzas de fricción que dependen de la velocidad, la energía cinética del cuerpo se transforma irreversiblemente en energía interna.

Un buen ejemplo de la irreversibilidad de los fenómenos en la naturaleza es ver una película al revés. Por ejemplo, un jarrón de cristal que cae de una mesa se vería así: Los fragmentos del jarrón que se encuentran en el suelo se precipitan uno hacia el otro y, al conectarse, forman un jarrón completo. Entonces el jarrón se levanta y ahora se encuentra tranquilamente sobre la mesa. Lo que vemos en la pantalla podría suceder en la realidad si se pudieran revertir los procesos. Lo absurdo de lo que está sucediendo proviene del hecho de que estamos acostumbrados a una determinada dirección de los procesos y no permitimos la posibilidad de que se produzcan en sentido inverso. Pero un proceso como restaurar un jarrón a partir de fragmentos no contradice ni la ley de conservación de la energía ni las leyes de la mecánica, ni ninguna otra ley, excepto la segunda ley de la termodinámica, que formularemos en el siguiente párrafo.

Los procesos en la naturaleza son irreversibles. Los procesos irreversibles más típicos son:

transferencia de calor de un cuerpo caliente a uno frío;
transición de energía mecánica a energía interna.

Definición 1

Se considera proceso reversible en física a aquel que puede realizarse en sentido contrario de tal forma que el sistema estará sujeto al paso de los mismos estados, pero en sentidos opuestos.

Figura 1. Procesos reversibles e irreversibles. Avtor24 - intercambio en línea de trabajos de estudiantes

Definición 2

Se considera proceso irreversible aquel que transcurre espontáneamente exclusivamente en una dirección.

Proceso termodinámico

Figura 2. Procesos termodinámicos. Avtor24 - intercambio en línea de trabajos de estudiantes

El proceso termodinámico representa un cambio continuo en los estados del sistema, que se produce como resultado de sus interacciones con el medio ambiente. En este caso, un cambio en al menos un parámetro de estado se considerará un signo externo del proceso.

Los procesos reales de cambio de estado ocurren bajo la condición de la presencia de velocidades significativas y diferencias de potencial (presiones y temperaturas) existentes entre el sistema y el medio ambiente. En tales condiciones, aparecerá una distribución compleja y desigual de parámetros y funciones estatales, basada en el volumen del sistema en un estado de desequilibrio. Los procesos termodinámicos que implican el paso de un sistema a través de una serie de estados de desequilibrio se denominarán desequilibrio.

El estudio de los procesos de desequilibrio se considera la tarea más difícil para los científicos, ya que los métodos desarrollados en el marco de la termodinámica están adaptados principalmente para el estudio de los estados de equilibrio. Por ejemplo, un proceso de desequilibrio es muy difícil de calcular utilizando las ecuaciones de estado de un gas, aplicables a condiciones de equilibrio, mientras que en relación con todo el volumen del sistema, la presión y la temperatura tienen valores iguales.

Sería posible realizar un cálculo aproximado de un proceso de desequilibrio sustituyendo los valores promedio de los parámetros de estado en la ecuación, pero en la mayoría de los casos, promediar los parámetros sobre el volumen del sistema resulta imposible.

En termodinámica técnica, en el marco del estudio de procesos reales, se supone convencionalmente que la distribución de los parámetros de estado es uniforme. Esto, a su vez, permite utilizar ecuaciones de estado y otras fórmulas de cálculo obtenidas con el fin de distribuir uniformemente los parámetros en el sistema.

En algunos casos concretos, los errores provocados por dicha simplificación son insignificantes y pueden no tenerse en cuenta a la hora de calcular procesos reales. Si, como resultado de desigualdades, el proceso difiere significativamente del modelo de equilibrio ideal, entonces se realizarán las modificaciones apropiadas en el cálculo.

Las condiciones de parámetros uniformemente distribuidos en un sistema cuando cambia su estado implican esencialmente tomar como objeto de estudio un proceso idealizado. Tal proceso consiste en interminables gran cantidad estados de equilibrio.

Un proceso de este tipo puede representarse en el formato de proceder tan lentamente que en cualquier momento dado se establecerá un estado casi de equilibrio en el sistema. El grado de aproximación de tal proceso al equilibrio será mayor cuanto menor sea la tasa de cambio del sistema.

En el límite llegamos a un proceso infinitamente lento, que proporciona un cambio continuo para los estados de equilibrio. Tal proceso de cambio de estado de equilibrio se llamará cuasiestático (o como si fuera estático). Este tipo de proceso corresponderá a una diferencia de potencial infinitesimal entre el sistema y el medio ambiente.

Definición 3

En la dirección inversa del proceso cuasiestático, el sistema pasará por estados similares a los que ocurren en proceso directo. Esta propiedad de los procesos cuasiestáticos se llama reversibilidad y los procesos en sí son reversibles.

Proceso reversible en termodinámica.

Figura 3. Proceso reversible en termodinámica. Avtor24 - intercambio en línea de trabajos de estudiantes

Definición 4

Proceso reversible (equilibrio): representa un proceso termodinámico capaz de pasar tanto en dirección directa como inversa (debido al paso por estados intermedios idénticos), el sistema regresa a su estado original sin costos de energía y no quedan sustancias macroscópicas en el entorno. .

Se puede hacer que un proceso reversible fluya en la dirección opuesta en absolutamente cualquier momento cambiando cualquier variable independiente en una cantidad infinitesimal. Los procesos reversibles pueden producir la mayor cantidad de trabajo. Es imposible conseguir más trabajo del sistema bajo ninguna circunstancia. Esto da importancia teórica a los procesos reversibles, que tampoco son realistas de implementar en la práctica.

Estos procesos avanzan con una lentitud infinita y sólo es posible acercarse a ellos. Es importante señalar la diferencia significativa entre la reversibilidad termodinámica del proceso y la química. La reversibilidad química caracterizará la dirección del proceso y la reversibilidad termodinámica caracterizará el método en el que se llevará a cabo.

Los conceptos de proceso reversible y estado de equilibrio juegan un papel muy importante en la termodinámica. Así, cada conclusión cuantitativa de la termodinámica será aplicable exclusivamente a estados de equilibrio y procesos reversibles.

Procesos irreversibles de la termodinámica.

Un proceso irreversible no puede realizarse en sentido contrario a través de los mismos estados intermedios. Todos los procesos reales se consideran irreversibles en física. Los siguientes fenómenos son ejemplos de tales procesos:

difusión;
difusión térmica;
conductividad térmica;
flujo viscoso, etc.

La transición de energía cinética (para el movimiento macroscópico) en calor a través de la fricción (en energía interna del sistema) será un proceso irreversible.

Todos los procesos físicos que ocurren en la naturaleza se dividen en reversibles e irreversibles. Dejemos que un sistema aislado, debido a algún proceso, haga una transición del estado A al estado B y luego regrese a su estado original.

El proceso, en este caso, será reversible en las condiciones de la probable implementación de una transición inversa del estado B a A a través de estados intermedios similares de tal manera que no quede absolutamente ningún cambio en los cuerpos circundantes.

Si la implementación de tal transición es imposible y siempre que al final del proceso se mantengan los cambios en los órganos circundantes o dentro del propio sistema, entonces el proceso será irreversible.

Cualquier proceso acompañado del fenómeno de la fricción se volverá irreversible, ya que, en condiciones de fricción, parte del trabajo siempre se convertirá en calor, se disipará, quedará un rastro del proceso en los cuerpos circundantes - (calentamiento), que convertir el proceso (que implica fricción) en irreversible.

Ejemplo 1

Un proceso mecánico ideal realizado en un sistema conservador (sin fuerzas de fricción) sería reversible. Un ejemplo de tal proceso pueden considerarse las oscilaciones en la suspensión prolongada de un péndulo pesado. Debido al insignificante grado de resistencia del medio, la amplitud de las oscilaciones del péndulo se mantiene prácticamente sin cambios durante un largo período de tiempo, y la energía cinética del péndulo oscilante se convierte completamente en energía potencial y viceversa.

La característica fundamental más importante de todos los fenómenos térmicos (en los que intervienen un gran número de moléculas) será su carácter irreversible. Un ejemplo de un proceso de esta naturaleza puede considerarse la expansión de un gas (en particular, uno ideal) al vacío.

Entonces, en la naturaleza existen dos tipos de procesos fundamentalmente diferentes:

reversible;
irreversible.

Según una declaración que hizo M. Planck, las diferencias entre procesos como los irreversibles y los reversibles serán mucho más profundas que, por ejemplo, entre los tipos de procesos eléctricos y mecánicos. Por esta razón, tiene sentido elegirlo con mayor justificación (en comparación con cualquier otra característica) como primer principio en la consideración de los fenómenos físicos.

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Interpretación estadística de la irreversibilidad de los procesos en la naturaleza.

La contradicción entre la reversibilidad de los microprocesos y la irreversibilidad de los macroprocesos.

La irreversibilidad de los macroprocesos parece paradójica, porque todos los microprocesos son reversibles en el tiempo. Las ecuaciones de movimiento de micropartículas individuales, tanto clásicas como cuánticas, son reversibles en el tiempo porque no contienen fuerzas de fricción que dependan de la velocidad. La fuerza de fricción es un efecto macroscópico de la interacción de un cuerpo grande con una gran cantidad de moléculas en el medio ambiente, y la aparición de esta fuerza en sí requiere una explicación. Las fuerzas a través de las cuales interactúan las micropartículas (principalmente fuerzas electromagnéticas) son reversibles en el tiempo. Las ecuaciones de Maxwell que describen interacciones electromagnéticas no cambian cuando se reemplazan t en - t.

Pongamos un ejemplo sencillo y cotidiano que, a pesar de su trivialidad, está directamente relacionado con la solución de Boltzmann al problema de la irreversibilidad.

Lo que sucederá con el tiempo es bien conocido. Te olvidas de poner objetos y libros en lugares estrictamente definidos y sobre la mesa reina un estado de caos. No es difícil entender por qué sucede esto. El estado de “orden” corresponde sólo a una determinada disposición de los objetos, y el estado de “caos” corresponde a un número incomparablemente mayor. Y tan pronto como los objetos comienzan a ocupar posiciones arbitrarias no controladas por su voluntad, surge naturalmente sobre la mesa un estado de caos más probable, realizado por un número mucho mayor de definiciones de objetos sobre la mesa.

En principio, estas son precisamente las consideraciones que planteó Boltzmann para explicar la irreversibilidad de los macroprocesos.

En primer lugar es necesario distinguir entre el estado macroscópico del sistema y su estado microscópico.

El estado microscópico se caracteriza por caso general especificando las coordenadas y velocidades (o impulsos) de todas las partículas que componen el sistema (cuerpo macroscópico). Se trata de una característica incomparablemente más detallada del sistema, cuyo conocimiento no es necesario para describir procesos con cuerpos macroscópicos. Además, el conocimiento del microestado es prácticamente inalcanzable debido a la gran cantidad de partículas que componen los macrocuerpos. En el ejemplo cotidiano anterior con objetos sobre la mesa, podemos introducir los conceptos de microestados y macroestados. El microestado corresponde a una disposición específica de objetos, y el macroestado corresponde a una evaluación de la situación en su conjunto: ya sea “orden” o “caos”.

Es bastante obvio que un determinado macroestado puede realizarse mediante una gran cantidad de microestados diferentes. Entonces, por ejemplo, la transición de una molécula de un punto dado en el espacio a otro punto o un cambio en su velocidad como resultado de una colisión cambia el microestado del sistema, pero, por supuesto, no cambia los parámetros termodinámicos y , por tanto, el macroestado del sistema.

Introduzcamos ahora una hipótesis que no es tan obvia como las afirmaciones anteriores: todos los estados microscópicos de un sistema cerrado son igualmente probables; ninguno de ellos se destaca ni ocupa una posición predominante. Esta suposición es en realidad equivalente a la hipótesis sobre la naturaleza caótica del movimiento térmico de las moléculas.

Con el tiempo, los microestados se reemplazan continuamente entre sí. El tiempo que un sistema permanece en un determinado estado macroscópico es obviamente proporcional al número de microestados Z 1 que realizan este estado. Si Z denota el número total de microestados del sistema, entonces la probabilidad del estado W se determinará de la siguiente manera: W=Z 1 /Z

La probabilidad de un estado macroscópico es igual a la relación entre el número de microestados que realizan el macroestado y el número total de microestados posibles.

Transición del sistema al estado más probable.

Cuanto mayor sea 2^, mayor será la probabilidad de que se produzca un macroestado determinado y más tiempo permanecerá el sistema en este estado. Por tanto, la evolución del sistema se produce en la dirección de transición de estados improbables a estados más probables. Esto es precisamente lo que se asocia con la irreversibilidad del curso de los procesos macroscópicos, a pesar de la reversibilidad de las leyes que rigen el movimiento de las partículas individuales. El proceso inverso no es imposible, sólo es improbable. Dado que todos los microestados son igualmente probables, en principio puede surgir un macroestado realizado por un pequeño número de microestados, pero este es un evento extremadamente raro. No deberíamos sorprendernos si nunca los vemos. El estado más probable es el equilibrio térmico. Corresponde al mayor número de microestados.

Es fácil entender por qué la energía mecánica se transforma espontáneamente en energía interna. El movimiento mecánico de un cuerpo (o sistema) es un movimiento ordenado cuando todas las partes del cuerpo se mueven de manera idéntica o similar. El movimiento ordenado corresponde a una pequeña cantidad de microestados en comparación con el movimiento térmico desordenado. Por lo tanto, el improbable estado de movimiento mecánico ordenado se convierte espontáneamente en un movimiento térmico desordenado, realizado por un número mucho mayor de microestados.

Menos obvio es el proceso de transferencia de calor de un cuerpo caliente a uno frío. Pero aquí también la esencia de la irreversibilidad es la misma.

Al inicio de la transferencia de calor, existen dos grupos de moléculas: moléculas con una energía cinética promedio más alta en el cuerpo caliente y moléculas con una energía cinética promedio más baja en el cuerpo frío. Cuando se establece el equilibrio térmico al final del proceso, todas las moléculas parecerán pertenecer al mismo grupo de moléculas con la misma energía cinética promedio. Deja de existir un estado más ordenado con la división de moléculas en dos grupos.

Entonces, la irreversibilidad de los procesos se debe al hecho de que los estados macroscópicos de desequilibrio son poco probables. Estas condiciones surgen ya sea naturalmente como resultado de la evolución del Universo, o son creados artificialmente por el hombre. Por ejemplo, obtenemos estados de alto desequilibrio calentando el fluido de trabajo de un motor térmico a temperaturas cientos de grados superiores a la temperatura ambiente.

Expansión de un "gas" de cuatro moléculas.

Consideremos un ejemplo sencillo que nos permite calcular las probabilidades de varios estados y muestra claramente cómo un aumento en el número de partículas en un sistema conduce a procesos que se vuelven irreversibles, a pesar de la reversibilidad de las leyes del movimiento de las micropartículas.

Tengamos un “gas” en un recipiente que consta de sólo cuatro moléculas. Inicialmente, todas las moléculas están en la mitad izquierda del recipiente, separadas por un tabique de la mitad derecha (Fig. 1a). Quitamos el tabique y el “gas” comenzará a expandirse ocupando todo el recipiente. Veamos cuál es la probabilidad de que el “gas” se comprima nuevamente, es decir las moléculas se volverán a ensamblar en la mitad del recipiente.

En nuestro ejemplo, el macroestado se caracterizará indicando el número de moléculas en la mitad del recipiente, independientemente de qué moléculas se encuentren aquí. Los microestados se especifican por la distribución de moléculas en las mitades del recipiente, lo que indica qué moléculas ocupan una mitad determinada del recipiente. Numeremos las moléculas 1, 2, 3, 4.

La probabilidad de que todas las moléculas se reúnan en la mitad (por ejemplo, la izquierda) del recipiente es igual a: 1/16, ya que un macroestado dado corresponde a un microestado.

La probabilidad de que las moléculas se distribuyan equitativamente será 6 veces mayor: 3/8, ya que a un macroestado dado le corresponden seis microestados. La probabilidad de que en una mitad del recipiente (por ejemplo, la izquierda) haya tres moléculas (y en la otra, respectivamente, una molécula) es igual a: 1/4.

La mayoría de las veces las moléculas se distribuirán equitativamente entre las mitades del recipiente: ésta es la condición más probable.

Pero durante aproximadamente 1/16 de un intervalo de tiempo de observación suficientemente largo, las moléculas ocuparán una de las mitades del recipiente. Así, el proceso de expansión es reversible y el “gas” se vuelve a comprimir después de un período de tiempo relativamente corto.

Así, sólo debido a la gran cantidad de moléculas en los macrocuerpos, los procesos en la naturaleza resultan prácticamente irreversibles. En principio, los procesos inversos son posibles, pero su probabilidad es cercana a cero. Estrictamente hablando, el proceso no contradice las leyes de la naturaleza, como resultado de lo cual, con el movimiento aleatorio de las moléculas, todos se reunirán en la mitad de la clase y los estudiantes de la otra mitad de la clase se asfixiarán. Pero en realidad este evento nunca ha sucedido en el pasado y no sucederá en el futuro. La probabilidad de que tal evento sea demasiado baja para que suceda durante toda la existencia del Universo en estado actual- unos varios miles de millones de años.

En todos los procesos hay una dirección seleccionada en la que los procesos avanzan por sí solos desde un estado más ordenado a uno menos ordenado. Cuanto más orden hay en un sistema, más difícil es restaurarlo del desorden. Es incomparablemente más fácil romper un vidrio que hacer uno nuevo e insertarlo en el marco. Es mucho más fácil matar a un ser vivo que devolverle la vida, si es que eso es posible. “Dios creó un pequeño insecto. Si la aplastas, morirá”. Este es el epígrafe escrito por el bioquímico estadounidense Szent Gyorgi en su libro “Bioenergética”.

La dirección del tiempo elegida (“flecha del tiempo”) que percibimos está obviamente relacionada precisamente con la dirección de los procesos en el mundo.

Límites de aplicabilidad de la segunda ley de la termodinámica

La probabilidad de que se produzcan procesos inversos de transición de estados de equilibrio a estados de no equilibrio para los sistemas macroscópicos en su conjunto es muy pequeña. Pero para volúmenes pequeños que contienen una pequeña cantidad de moléculas, la probabilidad de desviación del equilibrio se vuelve notable. Estas desviaciones aleatorias del equilibrio se denominan fluctuaciones. Son las fluctuaciones de la densidad del gas en regiones del orden de la longitud de onda de la luz las que explican la dispersión de la luz en la atmósfera terrestre y el color azul del cielo. Las fluctuaciones de presión en pequeños volúmenes explican el movimiento browniano.

La observación de las fluctuaciones es la prueba más importante de la exactitud de la teoría estadística de la irreversibilidad de los macroprocesos creada por Boltzmann. La segunda ley de la termodinámica es válida sólo para sistemas con una gran cantidad de partículas. En pequeños volúmenes, las desviaciones de esta ley se vuelven significativas.

Maxwell inventó un ejemplo interesante de una supuesta posible violación de la segunda ley de la termodinámica. Un ser inteligente, un “demonio”, controla una válvula muy ligera en el tabique que separa dos compartimentos, A y B, con gas a la misma temperatura y presión. El "demonio" monitorea las moléculas que se acercan al amortiguador y lo abre solo para las moléculas rápidas que se mueven del compartimiento B al compartimiento A. Como resultado, con el tiempo, el gas en el compartimiento A se calienta y en el compartimiento B se enfría. En este caso, no se realiza ningún trabajo, ya que el amortiguador prácticamente no pesa y parece violarse la segunda ley de la termodinámica.

Sin embargo, en realidad no hay violación de la segunda ley. Para su trabajo, el "demonio" debe recibir información sobre la velocidad de las moléculas que se acercan al amortiguador. Es imposible obtener la misma información sin gastar energía.

La irreversibilidad de los procesos en la naturaleza está asociada con el deseo de los sistemas de pasar al estado más probable, que corresponde al máximo desorden.

reversibilidad microproceso macroscópico calor

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